玉米自交系選育的PEPPER方法

張 旭，鐘國祥，李立公，王占森，魏 春，何光榮，郝學景

（中國農業大學農學與生物技術學院，北京 100193）

20世紀六七十年代，美國玉米的生產狀況和栽培條件發生了較大的改變。種植密度在10年內增加了1萬株/hm2，行距縮短了25%。高密度下要求雜交種不空稈，不根倒，不莖折，穗子不下垂，同時要對高密度下的水分短缺和光照不足有很強的耐性。氮肥投入10年中增加了一倍多，聯合收割機的使用和對籽粒品質的關注使人們更傾向于種植早熟品種。行距縮短和密度增加也對株型小和生育期短有了較高的要求[1]。這些問題需要育種家在自交系選育過程中去面對解決。Troyer教授針對發生的變化，晝思夜想，認識到追求雜種優勢的“高稈大穗晚熟”的育種思路已經過時，對復雜多樣的生長環境和不斷變化的栽培措施具有廣泛的適應性比雜種優勢更加重要[2]。通過大膽創新，逐漸形成了一套針對適應性的自交系表型選擇方法，即PEPPER方法[3]。

1 PEPPER的含義和特點

PEPPER（Pollinating End Plants Planted at Extreme Rates）意思是自交材料在極端高密度種植的情況下，每行只在靠近走道處套袋、授粉，一般可套袋4株，授粉3株。由于授粉植株靠近走道，所以在高溫、高濕或干旱等不利的氣候條件下都會改善授粉和結實狀況。授粉者只需在走道上行走，而不需要走到行間去，因此授粉時減少了行走的距離。如果以行距76 cm、行長530 cm計算，行走的距離減少了86%。走道上比行間操作起來較為方便。兩行之間首尾相接，走道很窄使得高密度的效果非常一致。走道兩側相對的兩行都在靠近走道處套袋又減少了操作者一半的行走距離，這樣可以大大緩解套袋授粉期間人力的緊張狀況。

PEPPER方法減少了套袋和自交的數量，這對于高密度下的選擇是可行的。Troyer認為在S2及其以上選擇穗行優于在行內選擇單株，所以每行授粉三四株就足夠了。它能在種植很密的情況下提供較多的小區和多次觀察的機會，通過選擇較大的穗子從而選擇耐密性較好的穗行。

PEPPER方法具有以下特點：

（1）基于穗行的選擇。穗行比單個穗子或植株具有較高的遺傳力，育種者較容易在下代中獲得期望結果。由于目標較少，容易判斷，因此選擇大大簡化。

（2）在多環境下種植穗行選擇的材料。首先，在當地10%的玉米播種之前種植一個早播，再在土壤溫度超過10℃后種植一個晚播。據我們在美國中西部的經驗，播種時土溫高，晚播的植株正處在生長發育的早期，10年中有6年使根倒的機會明顯增加。另外，在50公里以外，再種植一個早播。

（3）在高密度下種植選擇材料，一般是當地生產密度的兩倍。在Illinois州北部，接近16萬株/hm2的密度在大多數年份都能產生高密度的壓力。最有效的選擇性狀是對高密度的耐性，它可以幫助淘汰生長勢差、植株弱小，以及因抽絲延遲而不能受粉的植株，使受粉的效果得到改善。高密度還能使收獲期間的一些淘汰性狀充分表現，如空稈、癟粒等。在高密度下空稈、癟粒導致低產的遺傳力大于正常密度下籽粒產量的遺傳力。

（4）對有價值、可遺傳的表型選擇性狀進行嚴格選擇。這些性狀包括：在冷、熱土壤中都能很好地發芽，苗勢強，植株健壯，花期合適，株高，穗位高，收獲時的籽粒含水量，雌雄協調。其它性狀還包括：植株生長整齊一致，對葉片病害、高溫、干旱、莖腐的抗性，保綠性，籽粒質地（馬齒的等級或硬質淀粉的數量），以及影響收獲和脫粒的因素，如苞葉松、容易剝落等。這些性狀大部分都可以直觀地選擇。

2 自交各世代的選擇

2.1 BC1和S1世代（50%的同質性）

通常BC1群體種4050 m2，共64000株，采用當地常規密度的兩倍。一般有20～30個族群，每個族群種2000～3000株供選擇。每個族群中開花早的植株具有較強的生長勢。玉米具有特定的生長模式：植株生長快慢和形態上的差異到開花期時結束了。早開花的植株一般生長快，生長勢強，而相似背景的晚開花的植株肯定生長慢，生長勢弱。自然選擇導致了這種聯系，因為晚玉米比早玉米遭受較少的春寒的影響。

通常每個BC1和S1群體中只對10%的早開花的植株進行授粉。每個群體的親本都是開花期相似、親緣關系較近的優秀自交系。要數出每個系雌穗套袋植株的準確數目，并把它們用鋁線標注出來。要在早期雨后用當地病葉碎末對所有植株或開花后用莖腐病殘體對授粉植株進行人工接種。64000株中的10%，也就是6400株需要授粉。

這些植株要盡可能晚收獲，選擇那些保綠性好的完整植株。整個秋天要每隔5～7天用不同的顏料對活著的植株在授粉袋上標記，以確定哪些植株成活時間最長。成活的植株對莖腐的抗性較好，選擇那些植株完整、成活時間長、莖稈好的植株。穗位以上折斷、頂部脫落的植株要淘汰，它們通常是莖腐病或第二代歐洲玉米螟危害的信號。通過踢、推、拉、搖來檢測莖稈的質量。在美國玉米帶選擇14行以上的穗子，北歐則選擇12行以上的穗子。通常選擇半馬齒質地的籽粒，一般收獲1500～1800個穗子。

2.2 S2世代（75%的同質性）

在S2及其以上，以單個穗行為基礎進行選擇。在南繁地以常規兩倍的密度種植1500～1800個S2穗子。如果空間與財力允許，利用南繁進行一次穗行觀察是很有用的。根據室內低溫發芽率、出苗率、發芽勢、苗勢和冬季觀察的整齊度淘汰30%的穗行。淘汰的穗行在末端的植株做上標記。每行一般套袋4株，授粉3株（PEPPER），對于較好的行可授粉4株，最好的行可套袋和授粉更多株。接近收獲時，根據保綠性、植株完整性和空稈率選擇50%的穗行。選擇1500～1800個S3大穗，這和種植的S2穗子數量是一樣的。僅從有2個或2個以上大穗的行中選穗。在最好的行中要保留2個以上的穗子，而在一般的行中僅保留2個大穗中的一個。

2.3 S3世代（87.5%的同質性）

夏季在三種環境下種植S3，當地的早播和晚播，加上一個異地的早播。種植1500～1800個S3穗行。對室內低溫發芽率以及每個播期的出苗率、出苗勢、苗期長勢和行內整齊度等的每個指標進行二三次打分，根據三個播期的6～9次打分在授粉之前淘汰30%的穗行，選擇發芽快、長勢強、生長整齊的穗行。在當地的早播中進行授粉，遇到意外情況時也可在另外兩個播期授粉。根據全部三個播期的農藝表現，收獲時僅選擇50%穗行，直到冬季播種前才收獲。晚收可以檢測好的莖稈和穗柄，剝皮后觀察穗子的外觀。完全干燥的穗子能更好地看出它們的缺陷。

2.4 S4（92.5%的同質性）及更高世代

在正常密度下種植S4、S5及更高世代的穗行，這時更注重種子量的增加和正常密度下的籽粒產量，而不再是高密度下的附加選擇。在S5及以后世代，看起來差別不明顯的姊妹穗行的種子可以混合起來，大多數S6的種子可以混合。一個S3穗行的家系提供的新自交系不多于一個。

3 測交世代的確定

在S0～S2的測驗為早代測驗。早代測驗是額外的測驗，因為一個新自交系純合后還要進行重新測驗。育種者的選擇是晚代測驗或者是早代加晚代測驗。早代測驗可以幫助育種者了解一些性狀的遺傳特點，以便及時淘汰不好的穗行。如果你在早代測驗中淘汰了一半，那么晚代測驗時用同樣的代價可以測兩倍的自交系。如果淘汰了75%，則可測四倍的自交系。但早代測驗常常出現偏差，因為它們的親本還有25%或更多的遺傳差異。當自交系更加純合時，它們的表現必然要改變。

最佳的測驗世代是S4種子，代表著在三種不同環境下選出的最好的S3穗行，這時它的遺傳力很高。一般在冬季測交，在次年夏季種植單交種進行快速反饋。如果改在S2測交，穗行在低溫發芽率、早期出苗率、發芽勢、苗期長勢和行內整齊度等方面改進就會很少。僅根據S1單株的表現進行S2測驗似乎效率不高。

如果能在冬季隔離區測交，每個S3家系可以與2個測驗種雜交。通常一些測交到次年夏季在隔離區或父母本隔行種植的形式進行。因為冬季選擇又有了新的數據，可以淘汰更多的選系。在20～30個選系中，每個系大約有30～45個S3家系進行測交，共有900～1000個測交的家系。大約2000個測交種用完全隨機區組的辦法，種在生育期適合的四五個試驗點，每個點種一個重復，用四五個合適的商品雜交種作對照。隨著自交代數的增加，入選家系的數量會逐漸減少。很少S3家系或其后代會在測交中擴大規模，以免增加產量測驗的費用。期望的是更多的行間差異而不是行內差異。再強調一下，一個S3穗行一般只產生一個成品自交系，這樣花同樣的代價可以測驗最多的不同S3家系。

4 生產雜交種子的親本選擇

繁殖在制種地里表現好的自交系能保證向農戶提供可靠的F1種子供應。自交系的整齊度和純凈度檢驗是必要的。用做母本的自交系應有中等以上的產量水平和較小的標準差，中等的耐病性，可銷售種子占90%（由于種子大小和發芽率不合格而被淘汰的種子不超過10%）。種子的溫床發芽率要在95%以上，低溫發芽率80%以上，掛藏壽命2年以上。母本自交系不能有分蘗，要容易剝皮，容易收獲，田間落粒少，果實干凈。雄穗柄要中等偏長，以便機械去雄。制種時父母本最好能同時播種，母本自交系晚播常常降低種子的產量和品質。母本開花比父本早3天可以同時播種，因為父本會有一些分離。父本遲播日期最多是母本播后20天。延遲時間太長，播種時就有可能要重新整地。如果母本容易延遲抽絲，就要求父本分兩期播種 （間隔2天）。

5 小結

穗行選擇、高密度和多項細致觀察是PEPPER方法必不可少的。通過嚴格的表型選擇、大量淘汰和減少套袋授粉穗數，可以增加試驗行數，節省開支。多點種植、冬季加代和適當的測交世代可以使育種的效率提高，進程加快。Troyer使用這些方法，選出了一批優秀的玉米自交系，它們分別是在美國推廣面積很大的P3780，P3732，P3713 等雜交種的親本[4]。 事實證明，這一方法是行之有效的。

我國目前的生產條件和栽培狀況與當時的美國很相似。種植密度不斷增加，氮肥投入日益過剩[5]。國內的育種者也從美國玉米育種的歷史經驗中得到啟發，這就是密度增加對產量的提高至關重要，較好的耐密性和在高密度下持續增產是當代玉米育種的策略和方向[6]。當然，Troyer的方法能否適合我國玉米育種的實際，尚需在進一步的研究工作中運用和檢驗。

[1]Troyer A F.Breeding widely，popularmaize hybrid[J].Euphytica，1996，92：163 ～ 174.

[2]Troyer A F.Adaptedness and heterosis in corn and mule hy brids[J].Crop Sci.，2006，46（2）：528 ～ 541.

[3]Troyer A F.Phenotypic selection and evaluation of maize inbreds for adaptedness[J].Plant Breeding Rev，2007，28：101 ～ 123.

[4]Troyer A F.A retrospective view of corn genetic resources[J].J.Hered.，1990，81：17 ～ 24.

[5]趙久然，王榮煥，史潔慧，等.國內外玉米動態及展望[J].作物雜志，2008，5：7 ～ 9.

[6]Duvick D N.What is yield ？ [M].In：G O Edmeades.Developing drought and low N-tolerant maize.Proceedings of a symposium，March 25 ～ 29，CIMMYT，1996.